保障饮用水微生物安全性的途径
随着经济的发展和人们生活水平的不断提高，对饮用水水质的要求也逐步与国际接轨，安全饮用水的理念与百姓的生活日益接近, 北京、上海、广州、杭州等城市相继提出了实现自来水直接饮用的目标，深圳市在2004年5月通过评审的2010年水质规划中将自来水直饮列入了2010年的水质目标。过去对饮用水处理技术方面进行研究的关注点主要放在化学污染物上，包括重金属、工业有机物、消毒副产物等，而我国居民长期形成了喝开水的习惯，也掩盖了饮用水中存在的微生物风险。尽管美国自称有世界上最完善、安全的供水系统，据美国疾病控制中心估计，美国每年有约90万例由于水媒性微生物导致的病例，约900人因此死亡。同时，由于水媒性微生物爆发事件，还造成巨大的经济损失。因此，自来水直饮，致病微生物将可能成为饮用水安全性最大的威胁。本文根据深圳地区原水特点，结合饮用水水质的微生物标准和法规，提出了全流程多级屏障保障饮用水安全性的可能途径，同时，研究并提出了降低氯消毒副产物的措施。
一、 研究方法
水源水中的致病微生物是饮用水微生物风险的主要来源，饮用水处理工艺中，对微生物的处理有去除和灭活两种方式。去除主要是通过混凝、沉淀、过滤等物理手段去除微生物或携带微生物的颗粒物，消毒则是通过化学消毒剂对微生物进行灭活。保障饮用水微生物安全研究以控制用户端管网水质的微生物达到既定的水质标准为目标，从水源开始，多级屏障去除水中的微生物，降低DBPs前体物，同时进行跟踪评价，根据评价的结果，决定后续的保障工艺。研究路线如下：
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为了配合研究工作的进行，新建了一套完整的消毒中试装置，装置的规模为3t/H，模拟水厂消毒过程。中试装置的基本流程为：
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二、 深圳水源水的微生物污染特性与水源保护
水中的致病微生物分为细菌、病毒和寄生虫三大类，而绝大部分水媒性微生物感染事故由于水体受动物的感染。常见的致病病微生物及其来源见表1：
表1. 常见水媒性致病微生物及其污染途径
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微生物类型 |
常见种属 |
对人体危害 |
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细菌 |
致病埃希氏大肠杆菌(E.Coli) |
胃肠道疾病 |
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沙门氏菌属（Salmonella）） |
肠道疾病 |
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军团菌属（Legionella） |
肺感染疾病 |
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病毒 |
人类肠道病毒（Human enteroviruses） |
脑炎、呼吸道疾病 |
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人类埃科病毒(Human echoviruses) |
脑膜炎、胃肠炎，发热 |
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人类科萨奇病毒(Human coxsackieviruses) |
呼吸道疾病、脑膜炎 |
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寄生虫 |
贾第虫（Giardia） |
肠道疾病，可致死 |
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隐孢子虫(Cryptosporidium) |
胃肠道疾病，可致死 |
水中可能存在的病原体种类很多，由于大多数微生物的检测手段比较繁琐复杂，不可能对所有的微生物都进行检测，而通常采用指示菌检测判断水体是否收到污染。深圳市的饮用水源主要来自东江，经东江供水工程和东部供水工程进入市内的深圳水库和西丽水库。作为主要水源的深圳水库是从东江经83公里输送过来，由于设计为明渠，水源污染严重，以1995年前后的污染最严重，水中氨氮达5mg/L,细菌和总大肠菌群经常无法计数。1997年底深圳水库硝化工程投入使用后，水源水质明显改善； 2003年8月东江供水工程的明渠全线封闭后，水源水质进一步改善，代表微污染的氨氮、化学耗氧量和五日生化需氧量等指标大大降低，同时，微生物指标也有所下降。水源保护和改善工程取得了明显的效果。表2中为近3年深圳原水的微生物指标的统计结果。
由表2可以看出，细菌为原水的主要微生物污染，含有大量的细菌和大肠菌群；而隐孢子虫和贾第虫则很少，10升水样中不能检出，100L水样中能检出值在10个以下；水中的藻密度含量高。
表2 2001-2004年深圳水源微生物污染指标统计
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项目 |
浊度（NTU） |
藻密度(个/L) |
AOC (μg/L) |
细菌总数(个/mL) |
总大肠菌群(个/L) |
耐热大肠菌(个/100mL) |
贾第虫和隐孢子虫（个/100L） |
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最小值 |
1.7 |
4.74×106 |
36 |
130 |
110 |
0 |
0 |
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最大值 |
13 |
7.94×107 |
547 |
3.10×104 |
1.60×104 |
50 |
5 |
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平均值 |
4.56 |
2.98×107 |
183 |
2.07×103 |
3.01×103 |
9 |
3 |
由于原水中携带的微生物是饮用水微生物风险的主要来源，因此水源保护与跟踪监测对于保障饮用水的微生物安全性尤为重要。美国1996年修订的《安全饮用水条例》专门增加了控制DBPs和微生物的水源保护规定。深圳的水源保护已经取得了明显的效果，在保护改造水源的同时，规范对原水水质的监测，了解水源的水质的变化，以便水厂处理工程中及时采取措施。我们除了对常规的细菌总数，总大肠菌群进行定期监测外，还根据季节、气候的变化，增加了对耐热大肠菌、亚硫酸还原菌、粪性链球菌、贾底虫、隐孢子虫的不定期监测，对水源进行更全面的评价，及时掌握原水受病原体污染的情况。
三、 优化水处理工艺，控制水中微生物和消毒副产物
1、 强化常规处理工艺，提高微生物的去除效果
水处理工艺中的混凝、沉淀和过滤，虽然主要以去除水中颗粒物，降低浊度为目标，但在降低浊度的同时，去除了水中大部分的微生物，尤其是对于不能被常规消毒剂灭活的隐孢子虫和贾第虫，常规工艺中的物理去除是其主要的去除途径。对微生物的去除程度与工艺参数密切相关，有研究表明，硫酸铝为混凝剂时，以出水浊度2NT为目标的混凝沉淀，对隐孢子虫的去除为效率2.0Log；以出水TOC为优化目标，去除效率为3.0Log；以出水颗粒物数为优化目标，对隐孢子虫的去除可达3.3Log。我们的研究以控制浊度为目标，沉后水浊度1.5NTU，滤后水浊度0.1NTU，PAC为混凝剂。表3中为一定条件下常规工艺与优化工艺对微生物去除效果的比较。
表3 混凝沉淀和过滤工艺对微生物的去除效率(%)
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参数 |
水厂常规工艺 |
中试优化工艺 |
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细菌总数 |
98.0 |
99.8 |
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总大肠菌 |
100（出水为0） |
100（出水为0） |
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粪性链球菌 |
100（出水为0） |
100 （出水为0） |
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2-10微米颗粒 |
76（过滤） |
90（过滤） |
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美国的研究表明，运行管理良好的常规混凝、沉淀和砂滤过程，对隐孢子虫和贾第虫的去除可达到2.5Log，对病毒的去除可达2.0Log。因此，可以根据常规工艺对微生物指标的去除情况和对微生物的去除目标，确定后续的药剂消毒工艺所需要的灭活效率。
通过对混凝沉淀和过滤过程的优化，在提高浊度去除率的同时，一方面提高了对微生物的去除效率，另一方面去除天然大分子有机物和消毒副产物前提物，从而降低后续消毒过程中消毒副产物（DBPs）的产生量。
2、优化消毒工艺，降低消毒副产物
原水经过常规的混凝、沉淀、过滤工艺后，仍可能有残留的微生物存在，残留微生物的种类、数量与原水及处理工艺有关。深圳水厂的工艺是向深度处理方向发展，生物活性碳可能发生的生物泄漏，增加了饮用水的微生物风险。因此，化学药剂消毒对保障微生物安全性的必要步骤。虽然随着水处理工艺的发展，出现了一些替代的消毒剂和消毒方式，氯仍然是占主导作用的消毒方式。图3表示了美国1997年水厂消毒剂使用情况的统计。由于2002年1月新的消毒副产物法实施，氯氨消毒的比例逐步提高。
图3 1988年美国消毒剂使用情况统计表
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项目 氯消毒水厂 间歇氯氨消毒水厂 细菌总数（个/mL） >50 0.9% 0.4％ 20-50 0.9% 1.4％ 10-20 5.1% 1.4％ <10 93.1% 96.8％ 总大肠菌群(个/L) >3 0 0 0 100％ 100％
我们对长江以南12个城市的40多家水厂的调查表明，除了少数水厂间歇性采用氯氨消毒外，绝大部分水厂都是以氯作为消毒剂。氯氨消毒的安全性有两个方面：一是微生物的安全性；二是消毒副产物安全性。微生物安全性通过控制水中余氯和微生物指标指标的跟踪监测来保证。
深圳5个水厂中有3个采用全氯消毒，2个季节性采用氯氨消毒。表4为近3年分别以氯和间隙性氯氨消毒的两个水厂细菌总数和总大肠菌群的统计结果：
表4 水厂出厂微生物指标的统计
表4说明，在现有的水处理工艺中，出厂水的常规微生物指标是安全的。在采用臭氧生物活性炭工艺后，如何预防微生物泄漏，是保障出厂水微生物安全的重要内容。因此，有必要对生物活性炭池中进行生物种及其生长规律进行分析，监测可能的致病微生物，建立有效的灭活和去除措施，我们正在开展有关的工作。
由于深圳地区以地表水为水源，原水中的天然大分子有机物（NOM）含量较高，导致水中的消毒副产物前体物较高，原水中的总三卤甲烷生成势（THMFP）范围100－350ug/L,平均水平250ug/L，以三氯甲烷和一溴二氯甲烷前体物为主；总卤乙酸生成势（HAAFP）范围在50－350之间，平均水平200ug/L左右。经过混凝、沉淀、过滤能够去除一部分前体物，但去除效果不稳定，如果消毒工艺不合理，可能导致高浓度DBPs的形成。为了减少消毒副产物的形成，通过预臭氧－主臭氧－生物活性炭工艺降解消毒副产物前体物，在保障微生物安全的同时，（1）多点加氯（2）氯氨消毒的优化消毒工艺降低消毒副产物。
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3、 改进传统工艺，提高消毒效率
（1） 加速消毒剂混合，提高消毒效率
目前水厂氯投加都是采用水射器进行管道投加，消毒剂与水之间靠自然水力混合。消毒剂与水的混合程度差。通过改进消毒剂的投加方式，能够使消毒剂的混合效果大大提高，避免局部余氯浓度过高或过低，从而达到消毒剂的消毒效率，降低药剂用量和消毒副产物的目的。图5为水射器和新型水射枪加氯水中自由氯和总氯浓度均匀程度的比较。
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图中1＃－6＃点代表沿水流方向停留时间6.2秒、23.3秒，45.2秒，72秒，105.4秒，172.3秒的不同点，纵坐标为沿垂直方向余氯浓度的变异系数。由图中可以看出，新型水射枪投加余氯的变异系数接近0，混合程度比水射器高的多。
（2） 优化清水池结构，提高消毒效率
（3） 目前水厂清水池的设计以水量为设计依据，基本没有考虑水质的因素
事实上，清水池除了调节水量外，还是消毒剂的重要接触反应器。因此，考虑以消毒剂的CT（C：消毒剂浓度；T：消毒剂接触时间）值作为清水池设计的原则，清水池的t10作为T计算CT，以提高t10/THRT（水力停留时间）为目标，通过改进清水池结构，使消毒后的工艺水进入清水池后尽可能接近理想推流，所有的水由相同的接触时间，从而提高消毒效率，降低消毒剂用量，减少消毒剂形成。
四、 抑止管网细菌的再生长，保障管网水质的微生物安全性
全流程保障微生物安全性最终要归结到用户龙头水的安全性。用户龙头水微生物安全性的威胁主要来自几个方面：（1）水厂工艺截留或灭活失败；（2）管网中消毒剂消耗导致失去消毒能力；（3）管网细菌再生长和生物膜的形成。
深圳城市地形为东西狭长，南北短，5个水厂沿东西方向分布，每个水厂的供水范围基本上在10KM以内，从水厂干管输送的距离短，停留时间基本上在3小时之内。图6近2001年－2004年以氯消毒的1＃水厂和以氯氨消毒的2＃水厂从出厂水到不同距离管网水微生物指标的变化趋势。
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在我们调查的50多个采样点，近5000组数据中，总大肠菌群的监测结果都为0。虽然未在管网水中检测出大肠菌群，但其他指标出现出规律性：
(1) 浊度从出厂到管网之间有明显升高，但随输送距离基本上没有明显变化；
(2) 余氯随输送距离的增加而下降，氯消毒水厂比氯氨消毒水厂下降速度快；
(3) 细菌总数随输送距离增加而增加；但两个水厂有所不同，氯消毒水厂在3KM处的管网水细菌总数有明显升高，氯氨消毒水厂的管网水在6KM处的管网水细菌数才开始有明显升高；细菌数升高与余氯降低之间有明显的相关关系。
为了进一步了解管网水中微生物的生长情况，在中试管网上研究了氯的降解和微生物生长规律，图7为得到的试验结果。
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根据余氯和微生物在管网中的变化规律，为了保障管网水的安全性，拟从以下几方面采取措施：
（1） 进一步规范管网水质的跟踪监测，增加管网点的监测密度，对余氯和浊度逐步实现在线监测，一旦发现余氯低于规定值，即进行细菌学指标监测，评价水质安全性；
（2）对于微生物和余氯指标异常的管网短，及时进行管道冲洗和排放；对于长期或大面积的余氯过低和微生物超标，根据情况考虑增加出厂水余氯，或者采用氯氨消毒；
（3） 臭氧－生物活性炭工艺降低出厂水的AOC，抑止管网中细菌和生物膜生长，减少管网中余氯的消耗。
结论
随着自来水直饮规划的逐步实施，对饮用水的微生物安全性应该引起足够的重视。通过水源水质保护与改善，水厂工艺的优化，管网水微生物生长的抑止，建立全流程多级屏障的微生物安全保障措施。同时，加强水质监测与管理，规范全流程的管理与响应机制，降低微生物风险。由于水源水质和处理工艺的差异性，针对直饮的微生物安全性还有大量的研究工作要做，建议有关管理机构对于可能存在的微生物安全性风险及应对措施，进行系统化的研究，在此基础上发布强制、规范化的管理条例，保障饮用水的微生物安全性。
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